防浪板對排水型兩棲車輛水動力學(xué)的影響研究

毛明，汪建兵

（中國北方車輛研究所，北京100072）

防浪板對排水型兩棲車輛水動力學(xué)的影響研究

毛明，汪建兵

（中國北方車輛研究所，北京100072）

防浪板是影響兩棲車輛整車水上性能重要部件之一，為了研究防浪板對排水型兩棲車輛水動力學(xué)的影響，建立了排水型兩棲車輛流體力學(xué)計(jì)算模型。針對防浪板的形狀、大小以及與車體的相對位置變化進(jìn)行整車航行動力學(xué)仿真，綜合分析了防浪板對整車航行阻力、升力以及縱向俯仰力矩的影響，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。研究結(jié)果表明：在形狀方面，分段平板式防浪板具有弧形與平板式各自優(yōu)點(diǎn)，是較佳的工程結(jié)構(gòu)；在寬度上，隨著寬度增加，阻力和升力變化不大，縱向恢復(fù)力矩增加較多，超過一定寬度后阻力急劇增加；在與車體相對距離方面，隨著距離的增加，航行阻力增加，升力下降，縱向恢復(fù)力矩增幅較大；在防浪板與車體底平面夾角上，隨著角度的增加，整車阻力和升力變化不大，但縱向恢復(fù)力矩增加顯著。

兵器科學(xué)與技術(shù)；排水型；防浪板；水動力學(xué)；航行穩(wěn)性

0　引言

兩棲車輛有排水型和滑水型之分。如果車輛航行時車重主要由靜浮力支持，則稱為排水型；若車重主要由動浮力支持，則稱為滑水型。排水型車輛以陸上機(jī)動性為主，水上機(jī)動性為輔，主要應(yīng)用于步兵戰(zhàn)車、裝甲人員輸送車等陸軍主戰(zhàn)裝備。

正因?yàn)榕潘蛙囕v航行時車重主要由靜浮力支撐，前人在研究排水型車輛水動力學(xué)時大都只關(guān)注車體線形和整車重心與浮心的相對位置的影響，即只進(jìn)行戰(zhàn)車車體線形的設(shè)計(jì)、水上靜穩(wěn)性校核等靜態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算，也就是局限在滿足整車總體布置要求的前提下，通過優(yōu)化車體線形以減少水上航行阻力［1-7］，或是通過對整個行動系統(tǒng)地收放來減少水上航行阻力［8-9］，并確保整車浮心在重心之前以保證航行時不“扎頭”，而忽略了防浪板對水動力學(xué)的影響；雖然有一些關(guān)于防浪板對兩棲車輛影響的研究，但只是研究是否加裝防浪板和防浪板組合安裝角度的影響，研究又不夠全面［10-13］。

事實(shí)上，車體線形受整車總體布置的約束更大，不宜為了片面追求水上阻力的降低而隨意改變。防浪板則不一樣，其尺寸、形狀和與車體的相對位置調(diào)整空間大，受整車總體布置的約束相對要小得多，如果能通過優(yōu)化防浪板的設(shè)計(jì)而提高排水型兩棲車的水上速度和航行穩(wěn)定性，將起到事半功倍的效果。

本文對排水型兩棲車輛水上性能進(jìn)行了仿真計(jì)算，并和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。在此基礎(chǔ)上，研究了防浪板的形狀、大小以及與車體的相對位置對車輛航行阻力和穩(wěn)定性的影響［1，14-19］。

1　排水型車輛的航行阻力和航行穩(wěn)性

1.1航行阻力

車輛在水上航行的阻力由摩擦阻力、形狀阻力和興波阻力三部分組成。

車輛航行時，由于水的黏性，使水與車輛的接觸面即車輛浸水表面產(chǎn)生摩擦，形成摩擦阻力Ff:

式中:β為車輛浸水表面法線方向n與航行方向x的夾角，β=（n，x）；A為車輛浸水表面面積；τ為作用于車輛與水接觸表面的摩擦切應(yīng)力，τ=其中μ為水的動力黏度為邊界層內(nèi)水流沿車輛浸水表面法線方向的速度梯度。

車輛航行時，由于水的黏性和車輛形狀的影響，使水在車體行進(jìn)方向上與車輛接觸面內(nèi)每一點(diǎn)的水壓不同，從而產(chǎn)生壓力差，壓力差導(dǎo)致形狀阻力Fp的生成:

式中:p為車輛浸水表面靜壓力分布。

車輛航行時，水流在經(jīng)過車首、車尾和車輛浸水表面形狀急劇變化的地方會產(chǎn)生波浪，波峰和波谷將形成水流的動壓力差，該壓力差導(dǎo)致興波阻力Fw的生成:傅氏數(shù)的函數(shù)，為重力加速度9.8m2/s；L為水線面的首尾車長。

車輛航行的總阻力是摩擦阻力、形狀阻力和興波阻力之和。

1.2航行穩(wěn)性

兩棲戰(zhàn)車一般左右對稱，重心處于車輛縱軸線上，因此航行穩(wěn)性一般指航行時抗“扎頭”的能力。如圖1所示，圖中ML為縱穩(wěn)心，B為初始狀態(tài)浮心，B1為當(dāng)前狀態(tài)浮心，G為重心。

式中:ρ為水的密度；v0為車輛航行速度；Cw為長度

圖1　穩(wěn)性示意圖Fig.1 Schematic diagram of running stability

航行穩(wěn)性一般用恢復(fù)力矩Mθ0表達(dá)為

式中:D為浮力，一般D為常量，量值等于車輛的全重；hθ0為縱穩(wěn)心高度；θ為縱傾角。（4）式表明:縱傾角θ為0°時，恢復(fù)力矩Mθ0為0；縱傾角θ為負(fù)時，恢復(fù)力矩Mθ0為負(fù)，產(chǎn)生的反向力矩大于由于車輛前端吃水更深引起的浮心前移增加的恢復(fù)力矩，加速車輛“扎頭”。

2　防浪板對航行阻力和航行穩(wěn)性影響的計(jì)算流體力學(xué)分析

由于車輛的浸水表面的形狀很復(fù)雜，車輛航行時水與車輛的相互作用也很復(fù)雜，要想通過顯式精確計(jì)算航行阻力和航行穩(wěn)性是不可能的，但可以應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)的方法來完成這一復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。為了方便描述，這里以某排水型戰(zhàn)車為例，通過計(jì)算流體力學(xué)的建模、仿真，并與試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對比，來說明防浪板的形狀、尺寸、位置對戰(zhàn)車航行阻力和航行穩(wěn)性的影響。

2.1某戰(zhàn)車有關(guān)數(shù)據(jù)

某戰(zhàn)車防浪板的形狀、結(jié)構(gòu)與安裝位置方案如下:

采用主、副防浪板的總體方案，副防浪板尺寸為2 338mm×180mm；主防浪板考慮工藝性采用平板式，分為上下兩段，梯形結(jié)構(gòu)，上小、下大，在保證足夠性能的基礎(chǔ)上，以減輕重量。主防浪板尺寸為2 142mm（上）×（900+180）mm×2 338 mm（下），其中900mm為上段高，180 mm為下段高。主防浪板打開時的位置是:距車體首部尖端的水平距離為950mm，與水平面夾角45°，主防浪板上端與車體頂甲板的最高點(diǎn)齊平。副防浪板打開時的位置是:在車體首端內(nèi)與首端距離為50 mm，它與水平面的夾角也是45°.防浪板的形狀、尺寸以及與車體的相對位置如圖2所示，基本參數(shù)歸納見表1.

表1　戰(zhàn)車及防浪板的基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of vehicle and breakwater

2.2計(jì)算流體力學(xué)建模

2.2.1整車幾何模型的簡化

為了兼顧計(jì)算效率，按照實(shí)車建立車體幾何模型，履帶、負(fù)重輪等行動系統(tǒng)部件則進(jìn)行簡化，如圖3所示。忽略炮塔空氣阻力對穩(wěn)性的作用，僅考慮炮塔的質(zhì)量質(zhì)心對整車縱向恢復(fù)力矩的影響。

2.2.2流場域構(gòu)建

為盡量降低周圍環(huán)境及未知邊界條件的影響，構(gòu)建約10倍車長、寬、高的長方體流域，將車體及防浪板剪裁后形成車體外流計(jì)算域，計(jì)算域以車頭向車尾方向?yàn)閤軸正向，車體垂直向上為z軸正向，y軸正向按右手定則確定。在水線位置沿平行于Oxy平面構(gòu)建水線面，水線面下方初始工質(zhì)為水，上方初始工質(zhì)為空氣，如圖4所示。

圖2　車體前部幾何圖Fig.2 Body foreside geometric model

圖3　整車幾何模型簡化Fig.3 Simplified vehicle geometric model

圖4　流域構(gòu)造圖Fig.4 Constructed fluid region

由于車體質(zhì)心偏離Oxz平面很小，車體和防浪板等相對于Oxz平面對稱，為了提高計(jì)算效率，這里采用半模計(jì)算。

2.2.3計(jì)算域網(wǎng)格劃分

由于車輛航行時車體周圍流場變化較劇烈，在網(wǎng)格劃分時，切割一個包圍車體和防浪板的內(nèi)部流域，在車體和防浪板表面和內(nèi)部流域采用較小網(wǎng)格尺度，其他流域采用較大網(wǎng)格，如圖5、圖6所示。

圖5　半模計(jì)算域的網(wǎng)格Fig.5 Grid of half mode computational domain

圖6　車體和防浪板表面網(wǎng)格Fig.6 Surface grids of body and breakwater

2.2.4邊界條件

按照相似理論，假定戰(zhàn)車不動，而水從車體正前方以入口速度為10.8 km/h流動，沿水線面分割，上方初始工質(zhì)為空氣，下方初始工質(zhì)為水，車體正后方水線上下出口為充分?jǐn)U展，Oxz平面設(shè)為沿y軸對稱面，車體、防浪板、履帶、負(fù)重輪等以及計(jì)算域其他外圍邊界均設(shè)為壁面。

2.3計(jì)算結(jié)果與分析

對整車進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算，可以得到大量數(shù)據(jù)，但影響戰(zhàn)車水上性能的參數(shù)主要是航行時的阻力、升力和縱向恢復(fù)力矩。阻力影響車輛的航行速度，阻力越小越好；升力影響浮力儲備，升力越大越好；縱向恢復(fù)力矩決定了航行穩(wěn)性，即是否會“扎頭”，縱向恢復(fù)力矩越大越好。阻力和升力是整車各單元分別沿x軸、z軸方向的力的和，而縱向恢復(fù)力矩則由兩部分組成，一部分是各單元的壓力對浮心的合力矩，另一部分為車輛重力對浮心的力矩。車輛重力對靜浮心產(chǎn)生的力矩值是定值，對于所研究的戰(zhàn)車，為21 000×9.8×（3.902-3.937）= -7 203 N·m.

圖7是通過計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算得到的防浪板與車首周圍的速度流線；圖8是航行時空氣與水兩相積分圖以不同顏色表示當(dāng)前切面上水和空氣的比例；圖9為水積分占0.5切面的表面動壓。

2.3.1防浪板形狀的影響

這里考慮平板式、分段平板式和弧形防浪板。平板式和分段平板式結(jié)構(gòu)簡單，加工工藝性好。

圖7　防浪板與車首周圍速度矢量圖Fig.7 Velocity vectorgram around breakwater and body foreside

圖9　水積分為0.5的表面動壓力Fig.9 Surface dynamic pressure in section for water volume ratio of0.5

弧形防浪板寬度、高度與平板式、分段平板式防浪板均相同，形狀如圖10所示，不同形狀的防浪板對整車性能影響見表2所示。

圖10　弧形防浪板Fig.10 Arc-shaped breakwater

表2　防浪板形狀的影響Tab.2 Influence of breakwater shape on vehicle performance

由表2可以看出:采用分段平板式防浪板，航行阻力、升力和縱向恢復(fù)力矩均比弧形防浪板要大；但弧形防浪板升力不足以克服整車重力，從而降低車體的浮力儲備，不利于抗風(fēng)浪；弧形防浪板的縱向恢復(fù)力矩也小很多，不利于防止“扎頭”現(xiàn)象的發(fā)生。采用平板式防浪板的航行阻力較采用分段平板式要大許多，雖然縱向恢復(fù)力矩也略大一些。弧形防浪板能大幅度減小航行阻力。分段平板式防浪板可以認(rèn)為是弧形防浪板與平板式防浪板的結(jié)合。

2.3.2防浪板尺寸的影響

防浪板尺寸的影響可分為沿車輛橫向?qū)挾确较虻某叽绾脱剀囕v高度方向的尺寸即兩個方向尺寸的影響。由于防浪板必須高出水浪，否則防浪板將失去防浪作用，而等同于一塊阻力板，使戰(zhàn)車航行阻力急劇增加，但高出水浪部分的防浪板不受水壓力的作用，如果忽略空氣阻力的影響，即高出水浪部分的防浪板對戰(zhàn)車航行姿態(tài)不起作用，因此一方面要保證防浪板的高度超過水浪高，另一方面需要優(yōu)化防浪板的寬度和防浪板的水下高度。

1）防浪板寬度的影響

這里考察在現(xiàn)方案防浪板的寬度2 338 mm即車首寬度的基礎(chǔ)上增加寬度到2 500 mm和減小寬度到2 200mm時阻力、升力和縱向恢復(fù)力矩，計(jì)算結(jié)果見表3.

表3　防浪板寬度的影響Tab.3 Influence of breakwater width on vehicle performance

由表3可以看出:防浪板寬度增加既有利于減小阻力、也有利于增加升力和縱向恢復(fù)力矩；而防浪板寬度減小，雖然阻力略有減小但升力也略有減小，而縱向恢復(fù)力矩急劇減小，極不利于航行穩(wěn)性。因此，防浪板存在一個最佳寬度尺寸，該寬度尺寸等于車體前部的寬度，即達(dá)到最大；在寬度過小后，水流沖擊防浪板形成的恢復(fù)力矩過小，一部分水流繞過防浪板后沖擊到車體艏下裝甲，形成的力矩會抵消一部分恢復(fù)力矩，導(dǎo)致恢復(fù)力矩急劇下降。另一方面，由于只有水下的防浪板寬度才有作用，因此采用梯形防浪板，這樣有利于減小防浪板的尺寸與重量。

2）防浪板水下高度的影響

在現(xiàn)方案900mm的基礎(chǔ)上分別增加至950mm和減小至850 mm.防浪板高度尺寸對整車水上性能的影響見表4.

表4　防浪板水下高度的影響Tab.4 Influence of underwater height of breakwater on vehicle performance

由表4可以看出，車輛航行阻力、升力和縱向恢復(fù)力矩隨著防浪板高度增加而增加。因此，防浪板的高度尺寸由升力和縱向恢復(fù)力矩的約束確定，即只要升力和縱向恢復(fù)力矩能滿足要求，防浪板的水下高度越小越好。

2.3.3防浪板位置的影響

防浪板的位置主要是與車體的距離和相對車體底平面的夾角大小。

1）防浪板與車體之間的距離的影響

這里考察現(xiàn)方案兩段平板式防浪板相對于車體向外、向內(nèi)各移動100mm時的阻力、升力和縱向恢復(fù)力矩，計(jì)算結(jié)果見表5.

表5　防浪板與車體的距離影響Tab.5 Influence of distance between breakwater and vehicle body on vehicle performance

由表5可以看出，當(dāng)防浪板在現(xiàn)方案往車體方向靠近100 mm時，航行阻力略有下降，升力大幅上升，有利于提高水上航速和抗風(fēng)浪能力，但縱向恢復(fù)力矩顯著下降，極不利于航行穩(wěn)性，其原因是由于防浪板靠近車體造成二次流沖擊艏下裝甲處于渦旋的回流部分，導(dǎo)致壓力降低很多甚至出現(xiàn)部分負(fù)壓現(xiàn)象，引起恢復(fù)力矩急劇下降。當(dāng)防浪板在現(xiàn)方案往車體外移動100 mm時，航行阻力略有上升，升力略有下降，縱向恢復(fù)力矩略有上升。因此，防浪板與車體的距離存在一個最優(yōu)值，而且對縱向恢復(fù)力矩影響巨大。

2）防浪板與車體底平面的夾角大小影響

這里考察現(xiàn)兩段平板式防浪板相對于車底平面夾角增大（向車體靠攏，即往上翻）5°和減小3°時阻力、升力和縱向恢復(fù)力矩，計(jì)算結(jié)果見表6.

表6　防浪板與車體底平面的夾角影響Tab.6 Influence of angle between breakwater and under body plane on vehicle performance

由表6可以看出，防浪板夾角增大和減小，對航行阻力、升力的影響不大，均略有下降，但對縱向恢復(fù)力矩影響很大，角度越大，縱向恢復(fù)力矩越大。因此，防浪板的角度以升力為約束。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

某戰(zhàn)車的水上總體技術(shù)參數(shù)見表7，車體線型圖如圖11所示，型值表見表8.

圖11　車體線型圖Fig.11 Lines plan of vehicle body

表7　某戰(zhàn)車的水上總體技術(shù)參數(shù)Tab.7 Technical parameters of a combat vehicle

主防浪板采用分段平板式，梯形結(jié)構(gòu)，上小、下大，尺寸為2 142 mm（上）×（900+180）mm× 2 338mm（下）。其中900mm為上段高，180mm為下段高。主防浪板打開時距車體首部尖端的水平距離為950mm，與水平面夾角45°，上端與車體頂甲板的最高點(diǎn)齊平。

按船舶工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CB/Z239—87中對模型的要求制作1∶6全模型，車體、防浪板、托帶輪、負(fù)重輪的模型為木質(zhì)，表面打磨光滑，噴漆，履帶板為鑄鋁結(jié)構(gòu)。

表8　車體型值表Tab.8 Offset table of vehicle body

全模型拖模試驗(yàn)在華中科技大學(xué)船模水池試驗(yàn)室進(jìn)行，模型試驗(yàn)速度范圍為0.8～1.7m/s，速度間隔為0.1m/s.試驗(yàn)的一組結(jié)果見表9.

表9　全模型拖模試驗(yàn)結(jié)果Tab.9 Drag test result of full-model

從表9可以看出，計(jì)算流體力學(xué)關(guān)于航行阻力的計(jì)算結(jié)果小于拖模試驗(yàn)結(jié)果約35％，但趨勢是一致的，多組試驗(yàn)結(jié)果均表現(xiàn)了基本相同的計(jì)算與試驗(yàn)誤差，說明計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算是可信的［8-9］。分析誤差原因是因?yàn)橛?jì)算時假定行動系統(tǒng)是包起來的。這也說明行動系統(tǒng)對航行阻力的影響很大，履帶、負(fù)重輪等大幅增加航行阻力。

4　結(jié)論

1）防浪板對車輛航行阻力和航行穩(wěn)性有重要影響，不同的防浪板形狀、不同安裝位置和旋轉(zhuǎn)角度對排水型車輛航行阻力和航行穩(wěn)性有重要影響，特別是對航行穩(wěn)性影響巨大。就本例而言，航行阻力影響在-30％～50％之間，對縱向恢復(fù)力矩的影響在-95％～550％之間。

2）防浪板對排水型兩棲戰(zhàn)車的影響規(guī)律為:防浪板形狀方面，采用弧形防浪板能較大增加車體俯仰正向力矩，防止“扎頭”現(xiàn)象，但是會降低車體升力，使車體水線向上，降低車體的浮力儲備，增加航行安全風(fēng)險(xiǎn)。分段平板式防浪板是弧形防浪板與平板式防浪板的結(jié)合，是最佳的工程結(jié)構(gòu)；在防浪板的尺寸方面，相對于車體，防浪板存在一個最佳寬度尺寸，就本例而言，寬度約為車體寬度的0.75倍；防浪板的傾斜角度和距車體距離需要綜合考慮航行阻力和縱向恢復(fù)力矩，可以通過大量計(jì)算獲得最佳角度和最優(yōu)距離。

3）在進(jìn)行排水型兩棲車輛總體設(shè)計(jì)時，車輛的靜浮態(tài)無須保證浮心在重心之前，通過防浪板的尺寸和相對車體位置的調(diào)整，不僅可以減小航行阻力，而且可以大幅提高縱向恢復(fù)力矩，確保車輛航行時不“扎頭”。

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Research on Influence of Breakwater on Hydrodynamic Characterisitics of Displacement Amphibious Vehicles

MAO Ming，WANG Jian-bing
（China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China）

Breakwater is one of important parts which affect the performance of amphibious vehicle on water.A hydrodynamics model of displacement amphibious vehicle is established to research the influence of breakwater on its hydrodynamics.The hydrodynamics performance of displacement amphibious vehicle is simulated in terms of different shapes and sizes of breakwaters and their positions relative to vehicle body.The effect of breakwater on navigation resistance，lift force and longitudinal pitching moment is analyzed.The research results show that segmented breakwater is better engineering structure in shape，which has the advantages of arc-shaped and flat-plate breakwaters；the increase in width has small influence on resistance and lift force，but the longitudinal pitching moment increases a lot；with the increase in distance between breakwater and vehicle body，the resistance increases，the lift force decreases，and the longitudinal pitching moment increases greatly；with the increase in angle between breakwater and underbody plane，the resistance and lift force have a little change，but the longitudinal pitching moment increases significantly.

ordnance science and technology；displacement；breakwater；hydrodynamics；navigation stability

U469.6+93

A

1000-1093（2016）09-1553-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.09.001

2016-03-11

國家國防科技工業(yè)局國防基礎(chǔ)科研計(jì)劃重大項(xiàng)目（A0920131001）

毛明（1962—），男，研究員，博士生導(dǎo)師。E-mail:Ming_mao@noveri.com.cn